(57)【要約】【課題】  三次元照射時に高速の粒子ビームの取り出し、停止ができる高速で粒子ビームをｏｎ／ｏｆｆできるチューンシフターを備えたがん治療に供される医療用の円形粒子加速器を構成する。【解決手段】  粒子ビーム周回軌道、粒子ビームを粒子ビーム周回軌道に沿って周回させる四極電磁石、偏向電磁石、粒子ビームを加速させる加速空洞、粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段、粒子ビームを粒子ビーム周回軌道から取り出す出射セプタムを備えた円形粒子加速器において、粒子ビーム周回軌道の出射セプタムの上流に空洞を配置し、この空洞に電磁波を導入して、ＴＭ２１０モードを励振した高周波空洞で構成され、粒子ビームを高速でｏｎ／ｏｆｆするチューンシフターを備えた構成とした。【選択図】        図１
2005353610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子ビーム周回軌道、粒子ビームを粒子ビーム周回軌道に沿って周回させる四極電磁石、偏向電磁石、粒子ビームを加速させる加速空洞、粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅するベータトロン振動振幅増幅手段、粒子ビームを粒子ビーム周回軌道から取り出す出射セプタムを備えた円形粒子加速器において、粒子ビーム周回軌道の出射セプタムの上流に配置された空洞に電磁波を導入して、ＴＭ２１０モードを励振した高周波空洞で構成された粒子ビームを高速でｏｎ／ｏｆｆするチューンシフターを備えたことを特徴とする円形粒子加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、円形粒子加速器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的な円形粒子加速器は、図３のように構成されている。図３において、１は粒子ビームが入射される入射ダクト、２は入射された粒子ビームを周回方向に曲げる入射セプタム、３は粒子ビームが周回する粒子ビーム周回軌道、４は四極電磁石、５は粒子ビーム軌道の曲部に配置され粒子ビームを周回方向に曲げる偏向電磁石、６は粒子ビームを加速する加速空洞、７は高次モード空洞、８は加速された粒子ビームを出射ダクトに導く出射セプタム、９は六極電磁石、１０は加速された粒子を出射する出射ダクトである。
【０００３】
図３に示すような円形粒子加速器から粒子ビームを取り出す方法には大きく分けて低エネルギーの粒子ビームを取り出す“早い取り出し”と、高エネルギーの粒子ビームを取り出す“遅い取り出し”と呼ばれる２つの方法があり、この発明は“遅い取り出し”に関するものである。
【０００４】
粒子ビーム周回軌道を周回する粒子ビームのセパラトリクスと呼ばれる安定領域と不安定領域の境界が形成されている場合、セパラトリクスの外側すなわち不安定領域に動かす方法としては、セパラトリクスを徐々に小さくする方法と、セパラトリクスは動かさずに安定領域にいた粒子ビームに高周波電場で振動を加えてセパラトリクスまでエミッタンスを増加させる方法があり、後者の方法がｒｆノックアウトを用いた遅い取り出しと呼ばれる。
【０００５】
従来の円形粒子加速器から粒子ビームを取り出すｒｆノックアウトを用いた取り出しは、例えば、特許文献１に開示された方法がある。図４に粒子ビームの粒子ビーム周回軌道の直線部にｒｆノックアウト電極が挿入された状態の模式図を示す。
【０００６】
円形粒子加速器では、リング状の粒子ビーム周回軌道１１の中を周回する粒子ビームは粒子ビーム周回軌道１１の水平方向と垂直方向に微小振動して周回している。この微小振動をベータトロン振動と呼び、リング状の粒子ビーム周回軌道１１の１周当たりの振動数をベータトロンチューンまたは単にチューン呼んでいる。このチューンは粒子ビームが安定に周回するように選ばれるが、粒子ビームの取り出しには不安定になるチューンを選んで行われる。例えばチューンを１／３整数に選び、六極電磁石により粒子ビームに振動を与えて位相空間上にセパラトリクスを形成した場合、セパラトリクスの外側すなわち不安定領域に出た粒子ビームが粒子ビーム周回軌道１１を周回する毎に振幅が大きくなり、最終的に取り出し用に設置された出射セプタム１４に到達し、出射セプタム１４に形成されている静的な電場または磁場により外側に蹴り出されて下流に設置されたデフレクター１５により出射ダクトに導かれる。
【０００７】
ｒｆノックアウト電極１２は一対の平行平板からなり、この間に周波数Ｆrfの高周波電圧が加えられる。この周波数Ｆrfはベータトロンチューンの小数部分をｎ、周回周波数をＦrev、任意の整数をｍとすると、（式１）で表される。
【０００８】
【数１】
2005353610.tif 000003
【０００９】
ｒｆノックアウト電極１２の間の電場により蹴られる角度θは（式２）の関係になる。
【００１０】
【数２】
2005353610.tif 000004
【００１１】
ここでそれぞれのパラメータの値が次の表１の場合について電場を求める。
【００１２】
【表１】
2005353610.tif 000005
【００１３】
この条件において、電極間のギャップが１００ｍｍの場合、高周波電圧は１０ｋＶを加える必要がある。このように電場による運動量ｐが１０ＧｅＶ／ｃを越えるような領域では、必要な高周波電圧は１０ｋＶよりも高くなり、非常に高い値が必要となる。この電圧を印加するためには、発生させる高周波電源およびｒｆノックアウト電極は高電圧に耐える絶縁構成となる。
【００１４】
がん治療等に供される医療用の円形粒子加速器では、三次元照射時に高速の粒子ビームの取り出し、停止を行う必要がある。このような場合、粒子ビーム周回軌道に沿って横方向に微小振動しながら周回している粒子ビームのベータトロン振動の１周当たりの振動数のチューンを１００μｓ〜数ｍｓで変化させる必要がある。通常、偏向電磁石、四極電磁石の電源リップルにより、チューンが変化してセパラトリクスが脈動し、取り出された粒子ビームの強度がそのリップルに同期して変動することがある。この場合リップルの成分は早いもので１２００Ｈｚ（電源が６０Ｈｚの場合は１４４０Ｈｚ）である。このような粒子ビームの取り出しでは、チューンをシフトする場合、通常、図５に示すような磁場分布の四極電磁石が用いられ、その動作速度は数１０ｍｓ程度であり、十分な高速応答性が得られない。
【００１５】
【特許文献１】特公平５−１９８３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
がん治療等に供される医療用の円形粒子加速器では、三次元照射時に高速の粒子ビームの取り出し、停止を行うチューンシフターが必要である。通常チューンシフターとしては、四極電磁石が用いられ、動作速度は数１０ｍｓ程度であり、高速で粒子ビームをｏｎ／ｏｆｆさせる高エネルギーの粒子ビームを取り出す遅い取り出しに必要な高速応答性が得られないという問題点があった。
【００１７】
この発明は、三次元照射時に高速の粒子ビームの取り出し、停止ができる高速で粒子ビームをｏｎ／ｏｆｆできるチューンシフターを備えたがん治療に供される医療用の円形粒子加速器を構成することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明の請求項１に係る円形粒子加速器は、粒子ビーム周回軌道の出射セプタムの上流に空洞を配置し、この空洞に電磁波を導入して、ＴＭ２１０モードを励振した高周波空洞で構成され、粒子ビームを高速でｏｎ／ｏｆｆするチューンシフターを備えた構成としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
粒子ビーム周回軌道の出射セプタムの上流に配置された空洞に電磁波を導入して、ＴＭ２１０モードを励振した高周波空洞で構成された粒子ビームを高速でｏｎ／ｏｆｆするチューンシフターを備えた構成としたので、磁場が高周波磁場であり、数１０〜数１００μｓのオーダでｏｎ／ｏｆｆ動作が可能となり、誤照射のないがん治療等に供される円形粒子加速器が構成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１．
実施の形態１は、がん治療等に供される円形粒子加速器のビーム周回軌道に配置された出射セプタムの上流に配置するチューンシフターとして、粒子ビームを高速でｏｎ／ｏｆｆするＨＯＭ空洞を配置し、電磁波を導入してＴＭ２１０モードを励振し、四極電磁石と同様の磁場を形成する構成としたものである。
【００２１】
図１にビーム周回軌道にＴＭ２１０モードを励振したＨＯＭ空洞を配置した構成を示す。図２にＨＯＭ空洞内の粒子ビーム、磁場の分布状況を示す。
この構成の粒子ビーム軌道１１、出射セプタム１４、デフレクタ１５は、従来の粒子ビーム周回軌道にｒｆノックアウト電極を配置した構成と同一である。
この構成は、周回軌道にＨＯＭ空洞４１、高周波電源４３を備え、電磁波を導入する導波管４５、ＨＯＭ空洞４１内にＴＭ２１０モードを励振するループカプラー４６を設けている。
【００２２】
図３のＨＯＭ空洞４１に電磁波を導入してＴＭ２１０モードを励振すると図２のように粒子ビームが通過する中心部の磁場分布が従来の技術欄に示した図５の四極電磁石の磁場分布の中心部と同様の分布になり、数１０〜数１００μｓの高速でｏｎ／ｏｆｆ動作するチューンシフターが得られる。
【００２３】
円形粒子加速器のチューンシフターとしてＴＭ２１０モードを励振したＨＯＭ空洞４１を使用することにより、磁場が高周波磁場であり、数１０〜数１００μｓのオーダでｏｎ／ｏｆｆ動作が可能であり、誤照射のないがん治療等に供される円形粒子加速器が構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１のチューンシフターの構成を模式的に示した構成図である。
【図２】図１のＨＯＭ空洞のビームと磁場の状況を示す横断面図である。
【図３】従来の粒子加速器の構成図である。
【図４】従来の粒子ビームのベータトロン振動振幅を増幅する増幅手段の構成を模式的に示した構成図である。
【図５】従来の粒子加速器に使用されている四極電磁石の磁場分布図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  粒子ビーム周回軌道、１４  出射セプタム、１５  デフレクター、
４１  ＨＯＭ空洞、４３  高周波電源、４５  導波管、４６  ループカプラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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